CN105453326A - 用于可再充电的电池的凝胶电解质组合物 - Google Patents
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Abstract
公开了用于制备电池的凝胶电解质的组合物和方法。凝胶电解质组合物可包括具有多个异氰酸酯基团的聚合物和接触多个异氰酸酯基团的至少一个的封端剂。至少一个负极和至少一个正极可接触凝胶电解质组合物，以形成电池。
Description
背景
锂离子电池通常用作消费者和工业应用中的电流的电源。在放电期间，锂离子通过电解质从较高的化学势负极迁移至正极，以产生电流。在再充电期间，锂离子移动回到负极。负极通常由碳、硅、锗或钛酸盐形成。正极通常包括在相对低的电化学势下储存插入的锂的锂主体材料。另外，锂离子电池通常包含正极和负极之间的分隔物，其中分隔物用电解质溶液浸渍。包含电解质溶液的锂离子电池通常需要稳固的盒，用于封闭电解质溶液，以避免渗漏和意外事件的影响，并且防止由于短路造成的起火。这限制了电池的形状，导致制造薄而轻质的电池的困难。
具有凝胶电解质的锂离子电池已经得到相当的关注，因为它们薄的尺寸和挠性。在这样的电池中，电解质为可在两个电极之间传导离子的聚合物凝胶的形式。这些聚合物电解质不像常规的电解质溶液那样渗漏并且允许制造为各种形状和尺寸的电池。此外，聚合物电解质可附着至电极、分隔物等，并且能有效制造更薄的电池和改善电池挠性。
但是，凝胶电解质具有显著的缺点。具有凝胶聚合物电解质的锂离子电池有不受控制的放电(失控反应)倾向，其可导致产生大量的热和爆炸。此外，聚合物可分解释放有毒材料，比如氢氟酸。有机溶剂可能是可燃的并且可能造成火灾。因此，需要开发可以克服这些问题的、具有更好和更有效的凝胶电解质的可再充电的电池。
发明内容
本公开提供了制造用于可再充电的电池的凝胶电解质的组合物和方法。在一种实施方式中，电池可包括由聚合物制造的凝胶电解质组合物，所述聚合物具有多个异氰酸酯基团；与多个异氰酸酯基团中的至少一个接触的封端剂；和与凝胶电解质组合物接触的至少一个负极和至少一个正极。
在另外的实施方式中，凝胶电解质组合物可包括具有多个异氰酸酯基团的聚合物和与多个异氰酸酯基团中的至少一个接触的封端剂。
在另一实施方式中，制备凝胶电解质组合物的方法可包括使包括多个封端异氰酸酯基团的嵌段的聚合物与溶剂、交联剂和引发剂接触，以形成混合物；和将混合物加热，以形成凝胶电解质组合物。
在进一步的实施方式中，使用可再充电的电池为电子设备提供电池电源的方法可包括将可再充电的电池作为电源连接至电子设备。可再充电的电池可包括由聚合物制造的凝胶电解质组合物，所述聚合物具有多个异氰酸酯基团；与多个异氰酸酯基团中的至少一个接触的封端剂；和与凝胶电解质组合物接触的至少一个负极和至少一个正极。
附图简述
图1描绘了根据实施方式锂离子通过2‐甲基‐丙烯酸2‐[(3,4‐二甲基‐吡唑‐1‐羰基)‐氨基]‐乙基酯的配位。
图2描绘了根据实施方式配位钠和钾离子的单体2‐甲基‐丙烯酸2‐[(3,4‐二甲基‐吡唑‐1‐羰基)‐氨基]‐乙基酯的质谱分析。
图3图解了根据实施方式具有凝胶电解质的可再充电的Li-离子电池。
发明详述
本公开不限于描述的具体系统、设备和方法，因为这些可以改变。在本说明书中使用的术语仅仅为了描述具体形式或实施方式的目的，并且不旨在限制范围。
本公开提供了制造用于可再充电的电池的凝胶电解质的组合物和方法。本文公开的聚合物凝胶电解质有助于使可能发生在可再充电的电池中的失控反应(runawayreaction)最小化，因此大大降低了爆炸的机会。在一些实施方式中，电池可包括由聚合物制造的凝胶电解质组合物，所述聚合物具有多个异氰酸酯基团；与多个异氰酸酯基团中的至少一个接触的封端剂；和与凝胶电解质组合物接触的至少一个负极和至少一个正极。在一些实施方式中，电池是可再充电的电池。
在一些实施方式中，具有异氰酸酯官能团的聚合物由下述的一个或多个单体单元制备：甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、甲基丙烯酸硫代烷基酯、乙烯基苯、2-羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-乙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-甲基酯、(2,2-(1,5-亚戊基)-1,3-噁唑烷基(oxazolidyl)-3)乙基甲基丙烯酸酯、2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)-氧]乙基3-氧代丁酸酯、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇锂、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钠、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钾，或配位1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇的任何阳离子，和任何前述的共聚物。非限制性例子也包括下述的聚合物：甲基丙烯酸糠基酯、(聚乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、甲基丙烯酸2-乙氧基乙基酯、(聚左旋丙交酯)2-羟乙基甲基丙烯酸酯、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯、2-甲基-丙烯酸[1,4]二噁烷-2-基酯，和任何前述的共聚物。示例性聚合物可以是甲基丙烯酸异氰基乙酯的聚合物。
在一些实施方式中，与异氰酸酯官能团接触的封端剂可以是醇、咪唑、甲基咪唑、吡唑、吡咯、吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、烷基丙二酸酯、乙酰乙酸酯、氰基乙酸酯、肟、己内酰胺或其任何组合。封端剂的例子可以是3,4-二甲基-1H-吡唑。
在一些实施方式中，凝胶电解质组合物可进一步包含具有传导性能的一种或多种无机盐。在一些实施方式中，无机盐可均匀分散在本文所述的聚合物中。非限制性例子包括锂盐，比如Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。另外，电解质也可包括钠盐、镁盐和/或钙盐。这些盐可单独使用或两个或更多个组合使用。如果需要，电解质溶液可进一步包含各种添加剂。
具有吡唑封端基团的示例性聚合物显示在图1中。聚合物是2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯的聚合产物，其可有助于与电解质中存在的金属阳离子配位。如图1中显示，不希望被理论限制，氮原子上的孤对电子(未显示)能够通过静电相互作用吸引锂离子。因此，锂离子松弛地结合于聚合物，并且在放电或充电期间能自由迁移。除了Li离子，相信具有本文所述的聚合结构的许多氧和氮原子可具有吸引其他阳离子，比如Na-离子、K-离子、Mg-离子、Ca-离子、Fe-离子、Cu-离子、Ni-离子、Rb-离子或其任何组合的能力。图2显示了与钠和钾离子配位的单体2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯的质谱分析。由于聚合物材料与电解质组合物中存在的离子的相容性，聚合物和电解质之间的相分离可收到限制。相分离的缺乏可导致缺少散射效应，并且可导致透明的凝胶电解质膜。当与阳极或阴极连接时，这样的透明膜可以是产生电功率的电池的一部分。此外，聚合物结构可具有内置机制以处理失控反应。这样的聚合物结构可具有吸热部分，所述吸热部分在发生失控反应时吸收热能，因此大大降低了爆炸的可能。
在一些实施方式中，具有封端异氰酸酯基团的聚合物可用作将正极和负极保持在一起的粘合剂，同时也用作电解质的凝胶化材料。在一些实施方式中，可再充电的电池可具有至少一个正极，所述至少一个正极由锂化合物、钠化合物、钾化合物、镁化合物、钙化合物、镍化合物、铁化合物、铜化合物或其任意组合制造。锂化合物的非限制性例子包括LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2、Li4Ti5O12、Li2(FePO4F)2和其任意组合。在一些实施方式中，可再充电的电池可具有至少一个负极，所述至少一个负极由碳化合物、钛酸盐、硅化合物、锗化合物或其任意组合制造。表1显示了当与锂配对时各种抗衡离子的平均电势差的值。
表1
表2表示可用于锂-离子电池的常见负极材料。
表2
在一些实施方式中，本公开的凝胶电解质组合物可包含一种或多种非水性溶剂和/或质子惰性溶剂。非限制性例子包括甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇，二噁烷，苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯和其任意组合。在一些实施方式中，凝胶电解质组合物可包含水。
本文所述的聚合物可展示极好的电解质保持能力、极好的离子导电性、较高的机械强度和极好的形状保持性。在一些实施方式中，聚合物在凝胶电解质组合物中存在的浓度可为约0.01重量百分数至约99重量百分数。例如，聚合物在凝胶电解质组合物中存在的浓度可为约0.01重量百分数至约80重量百分数、约0.01重量百分数至约60重量百分数、约0.01重量百分数至约30重量百分数，或约0.01重量百分数至约10重量百分数。具体的例子包括约0.01重量百分数、约10重量百分数、约20重量百分数、约50重量百分数、约75重量百分数，或约99重量百分数，和这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。
在一些实施方式中，具有本文所述的聚合物的可再充电的电池可在正极和负极产生电势差，并且因此产生电流。可在正极和负极之间产生的电势差可以是，例如、约0.001V至约10V。例如，电势差可以是约0.001V至约5V、约0.001V至约1V、约0.001V至约0.1V，或约0.001V至约0.01V。具体的例子包括约0.001V、约0.01V、约0.1V、约1V、约2.5V、约5V、约10V，和这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。这些可再充电的电池中的若干可进一步串联或并联连接并且被包装在一起，以形成实现期望的总电压和电流容量的电池组。
在一些实施方式中，制备具有封端异氰酸酯基团的单体的方法可包括使具有异氰酸酯官能团的单体与封端剂接触，以形成具有封端异氰酸酯基团的单体。单体可以是本文所述的任何单体。可用于制备的示例性单体是2-甲基-丙烯酸2-异氰酰-乙基酯。封端剂可以是本文所述的任何封端剂。封端剂可溶解在溶剂比如氯仿中。可用于制备的示意性封端剂可以是3,4-二甲基-1H-吡唑。
单体可与溶解在至少一种溶剂，比如氯仿，中的封端剂的冷溶液接触数个小时，同时进行混合。在该过程期间可保持低的反应温度，并且可将产物可脱色和纯化。在一些实施方式中，封端剂和单体可以约1:0.5至约1:1.5的摩尔比混合。例如，封端剂和单体可以约1:0.5至约1:1.25、约1:0.5至约1:1、约1:0.5至约1:0.975，或约1:0.5至约1:0.75的摩尔比混合。具体的例子包括，例如，约1:0.5、约1:0.75、约1:0.975、约1:1、约1:1.25、约1:1.5和这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。混合可进行一定的时间段。例如，混合可进行约2小时、约3小时、约4小时、约5小时、约6小时、约8小时或这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。在一些实施方式中，反应的温度可低于30℃、低于28℃、低于27℃或低于25℃。在一些实施方式中，在反应过程之后，可将溶剂从反应混合物中去除。在一些实施方式中，可通过使产物穿过脱色剂比如活性炭、氧化铝、次氯酸钠等而使单体产物脱色。在一些实施方式中，单体可通过蒸馏进一步被纯化。具有封端异氰酸酯基团的单体的例子是2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯。
在一些实施方式中，可通过使具有多个封端异氰酸酯基团的单体聚合制备凝胶电解质组合物。在聚合期间，具有封端异氰酸酯基团的单体可溶解在至少一种溶剂中。合适的溶剂包括甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇、水、二噁烷、苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯和其任意组合。溶剂可进一步包括由锂盐产生的锂离子，所述锂盐比如Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。为了聚合，可添加适当的交联剂(一种或多种)和引发剂(一种或多种)。交联试剂的非限制性例子包括亚甲基(双)丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、二氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、四甘醇二甲基丙烯酸酯、聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇二甲基丙烯酸酯、双酚A乙氧基化物二甲基丙烯酸酯、双(2-甲基丙烯酰基)乙氧基二硫化物和其任意组合。可使用的合适的引发剂包括过硫酸盐、过氧化物、硫代硫酸盐或其任何组合。引发剂的例子可以是过硫酸锂。在一些实施方式中，也可通过热激活、光化学激活(UV-照射)或电子轰击的激活进行聚合。
在聚合期间，单体、溶剂、交联剂和引发剂的混合物可被加热至升高的温度。例如，加热可在约50℃至约90℃进行。例如，混合物可被加热至约50℃至约80℃、约50℃至约70℃，或约50℃至约60℃的温度。具体的例子包括约50℃、约60℃、约75℃、约80℃、约90℃，和这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。加热可进行一定的时间段。例如，混合物可被加热约30分钟至约2小时，例如、约30分钟至约1小时，或约30分钟至约45分钟。具体的例子包括约30分钟、约45分钟、约1小时、约1.5小时、约2小时，和这些值任何两个之间的范围(并且包括其端点)。
如本文所描述的聚合物凝胶电解质组合物可用于任何可再充电的电池，而不限于Li-离子电池。合适的可再充电的电池包括Na-离子电池、K-离子电池、Ni-Li电池、Ni-MH电池、Rb-离子电池和Ca-离子电池。可再充电的电池可用于为任何电学或电子设备、机动车或装置供电。非限制性例子包括笔记本电脑、移动电话、平板电脑、汽车、卡车、无线电设备、玩具、电动工具、自行车、厨房用具、闪光灯、钟表、遥控设备等。可再充电的电池也可用于医学植入物、水下操作和太空探索。
示例性可再充电的Li-离子电池显示在图3中。电池100可包括两个电极120之间的聚合物凝胶电解质110。如本文所描述的聚合物凝胶电解质可与锂离子配位。该配位的作用是通过聚合物粘合剂本身使锂离子溶剂化，并且产生清澈、透明的凝胶介质。锂离子的配位可通过减缓离子的快速扩散而有助于减少电池的失控反应和自发分解，从而给予电池有效和高效的性能。相比相分离区域，锂化合物的均匀分布可改善有效的充电-放电循环。此外，具有新凝胶结构的制剂可具有吸热部分，因此使失控反应事件最小化。例如，封端剂可从周围环境吸收过多的热能，并且从异氰酸酯基团去封端或解离。此外，可通过使用不同的部分调整去封端需要的热能的量。但是，一旦失控反应已经发生，封端剂可缓慢与异氰酸酯基团反应并且加回到凝胶材料中，以其初始状态再形成凝胶材料。
实施例
实施例1：具有封端异氰酸酯基团的单体的制备。
使用新鲜蒸馏的氯仿和新鲜蒸馏的3,5-二甲基-1H-吡唑制备3,5-二甲基吡唑的10％(重量百分数)溶液。在干燥氩下制备溶液并且在冰浴上冷却至约1-3℃。将2-甲基-丙烯酸2-异氰酰乙基酯的溶液逐滴(0.05mL/2秒)添加至氯仿/3,5-二甲基-1H-吡唑溶液中。反应中，酯和3,5-二甲基-1H-吡唑的摩尔比是0.975:1。在干燥氩气下搅拌溶液六小时，并且将溶液缓慢温热至20℃。然后通过旋转蒸发使用干冰阱(dryicetrap)去除氯仿。在去除氯仿期间，浴的温度保持低于27℃。获得淡稍微黄色黏性液体，并且通过添加活性炭和将其过滤，使液体脱色。然后在真空下(10-6torr)蒸馏所得无色清澈液体，以获得2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯。通过1HNMR确认产物。
实施例2：单体的聚合。
将实施例1中制备的单体(0.318摩尔)与LiPF6一起溶解在100ml的甘油中。添加约10克交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和4.2克引发剂过硫酸锂，并且将溶液加热至约75℃的温度45分钟。单体聚合成凝胶。凝胶可用作电极之间的电解质导电介质。
实施例3：单体的聚合。
将实施例1中制备的单体(0.316摩尔)与LiPF6一起溶解在100ml的丙二醇中。添加约8.9克交联剂亚甲基(双)-丙烯酰胺和4克引发剂过硫酸锂，并且将溶液加热至约75℃的温度45分钟。单体聚合成凝胶。凝胶可用作电极之间的电解质导电介质。
实施例4：Li-离子电池的制备。
通过在甘油中混合磷酸锂铁Li(FePO4)以获得用作正极集电器的浆体来制备正极。将浆体涂布在铝箔上，干燥，并且滚动以形成正极。通过在甘油中混合硅酸锂以获得用作负极集电器的浆体来制备负极。将浆体涂布在铜箔上，干燥，并且滚动以形成负极。
如在实施例2中那样制备凝胶聚合物的薄层，并且浸渍在包含LiPF6和甘油的电解质溶液中。使上面制备的正极和负极接触凝胶聚合物的相对表面，使得聚合物夹在电极之间。将电极连接至电子设备，以完成电路。电池将提供3V至3.3V的输出。
实施例5：Li-离子电池的制备。
通过在丙二醇中混合磷酸锂铁Li2(FePO4Fe)2以获得用作正极集电器的浆体来制备正极。将浆体涂布在铝箔上，干燥，并且滚动以形成正极。通过在丙二醇中混合硅酸锂以获得用作负极集电器的浆体来制备负极。将浆体涂布在铜箔上，干燥，并且滚动以形成负极。将实施例3中制备的凝胶聚合物与包含丙二醇和LiPF6的电解质溶液混合，并且倒入至圆柱形透明玻璃管中，使得聚合物凝胶电解质浆体占据管的中央部分。玻璃管的一端填充如上制备的正极浆体，另一端填充如上制备的负极浆体。凝胶电解质在任一端接触电极并且在它们之间形成桥。将透明的Li-离子电池连接至外部电设备，以完成电路。电池将提供3V至3.3V的输出。
在上面的详细说明中参考了附图，附图构成了详细说明的一部分。在附图中，除非上下文指出，否则相似的符号通常表示相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中所描述的示例性实施方式不意图是限制性的。可以使用其它实施方式，并且可以做出其它改变，而不偏离本文呈现的主题的精神或范围。将易于理解的是，如本文大致描述且如图中所图示的，本公开的方面能够以各种不同配置来布置、替代、组合、分离和设计，所有这些都在本文中明确地构思出。
本公开不受在本申请中所描述的特定实施方式的限制，这些特定实施方式意在为各个方面的示例。对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够进行各种改进和变型，而不偏离其精神和范围。根据前面的说明，除了本文列举的那些之外，在本公开范围内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在这些改进和变型例落在随附权利要求书的范围内。本公开仅受随附权利要求书的术语连同这些权利要求所给予权利的等同方案的整个范围的限制。将理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，当然这些可以变化。还应理解的是，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不意在是限制性的。
如本申请文件中所使用的，单数形式(“a”、“an”和“the”)包括复数引用，除非文中另有明确说明。除非另有定义，本文所使用的所有技术及科学术语均具有与本领域普通技术人员通常理解的相同含义。本公开绝不应该被解释为承认本公开中所描述的实施方式由于现有技术发明而没有资格先于此种公开。如本申请文件中所使用的，术语“包括(comprising)”是指“包括但不限于”。
尽管各种组合物、方法和装置在“包括”(解释为“包括但不限于”的意思)各种成分或步骤方面被描述，但所述组合物、方法和装置还可“基本由各种成分和步骤组成”或“由各种成分和步骤组成”，此类术语应当理解为限定实质上封闭的群组。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员能够根据上下文和/或应用适当地从复数变换成单数和/或从单数变换成复数。为了清晰的目的，本文中明确地阐明了各单数/复数的置换。
本领域技术人员应当理解，通常，本文中并且特别是在所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常意欲作为“开放性”术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当解释为“至少具有”，术语“包含”应当解释为“包含但不限于”等)。本领域技术人员应当进一步理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，则这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下，不存在这样的意图。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词比如“一个”或“一种”时，这种短语的使用不应当解释为暗示由不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将包含这样引入的权利要求列举项的任何特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的实施方式(例如，“一个”和/或“一种”应当解释为指“至少一个”或“一种或多种”)；这同样适用于以引入权利要求列举项的定冠词的使用。另外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员应当认识到将这种列举项解释为意指至少所叙述的数量(例如，没有其他修饰的单纯列举项“两个列举项”意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。此外，在其中使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的习语的那些情况下，通常这种造句意味着本领域技术人员应当理解的习语(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”应当包括，但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。在其中使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的习语的那些情况下，通常这种造句意味着本领域技术人员应当理解的习语(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”应当包括，但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。本领域技术人员应当进一步理解实际上呈现两个或多个可选择术语的任何转折性词语和/或短语，无论在说明书、权利要求书还是附图中，都应当理解为包括术语的一个、术语的任何一个或全部两个术语的可能性。例如，短语“A或B”应当理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，当公开内容的特征或方面以马库什组的方式描述时，本领域技术人员将认识到，该公开内容由此也以马库什组的任何单独的成员或成员的亚组的方式描述。
如本领域技术人员应当理解的，用于任何和所有目的，如在提供书写描述的方面，本文公开的所有范围也包括任何和所有可能的亚范围及其亚范围的组合。任何所列范围可以容易地被认为是充分描述并能够使同一范围可以容易地分解为至少两等份、三等份、四等份、五等份、十等份等。作为非限制性实例，本文所讨论的每个范围可以容易地分解为下三分之一、中间三分之一和上三分之一等。如本领域技术人员也应当理解的，所有语言比如“高达”、“至少”等包括所叙述的数字并且指可以随后分解为如上所述的亚范围的范围。最后，如本领域技术人员应当理解的，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组。类似地，具有1-5个单元的组指具有1、2、3、4或5个单元的组，以此类推。
各种上述公开的以及其他各特征和功能或其可选方案可以组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员随后可以做出各种在本文中当前未预见的或未预期的可选方案、改进方案、变型例或改进，其中每个也旨在由公开的实施方式所涵盖。
Claims (47)
1.一种电池，其包括：
凝胶电解质组合物，其包括：
聚合物，所述聚合物包括多个异氰酸酯基团；
封端剂，所述封端剂与所述多个异氰酸酯基团中的至少一个接触；和与所述凝胶电解质组合物接触的至少一个负极和至少一个正极。
2.权利要求1所述的电池，其中所述聚合物包括选自下述的一种或多种单体单元：甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、甲基丙烯酸硫代烷基酯、乙烯基苯、2-羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-乙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-甲基酯、(2,2-(1,5-亚戊基)-1,3-噁唑烷基-3)乙基甲基丙烯酸酯、2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)-氧]乙基3-氧代丁酸酯、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇锂、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钠、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钾、甲基丙烯酸糠基酯、(聚乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、2-乙氧基乙基甲基丙烯酸酯、(聚左旋丙交酯)2-羟乙基甲基丙烯酸酯、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯、2-甲基-丙烯酸[1,4]二噁烷-2-基酯和任何前述单体单元的共聚物。
3.权利要求1所述的电池，其中所述聚合物是甲基丙烯酸异氰基乙酯的聚合物。
4.权利要求1所述的电池，其中所述封端剂是醇、咪唑、甲基咪唑、吡唑、吡咯、吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、烷基丙二酸酯、乙酰乙酸酯、氰基乙酸酯、肟、己内酰胺或其任何组合。
5.权利要求1所述的电池，其中所述封端剂是3,4-二甲基-1H-吡唑。
6.权利要求1所述的电池，其中所述凝胶电解质组合物包括2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯的聚合产物。
7.权利要求1所述的电池，其中所述至少一个正极包括锂化合物、钠化合物、钾化合物、镁化合物、钙化合物、镍化合物、铁化合物、铜化合物或其任何组合。
8.权利要求1所述的电池，其中所述至少一个正极包括选自下述的锂化合物：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2、Li4Ti5O12、Li2(FePO4F)2和其任意组合。
9.权利要求1所述的电池，其中所述至少一个负极包括碳化合物、钛酸盐、硅化合物、锗化合物或其任何组合。
10.权利要求1所述的电池，其中所述凝胶电解质组合物包括2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯的聚合产物，所述至少一个正极是Li2(FePO4F)2，和所述至少一个负极是Si/Li6Si。
11.权利要求1所述的电池，其中所述凝胶电解质组合物进一步包括选自下述的溶剂：甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇、水、二噁烷、苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯和其任意组合。
12.权利要求1所述的电池，其中所述凝胶电解质组合物进一步包括选自下述的锂盐：Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。
13.权利要求1所述的电池，其中在所述至少一个正极和所述至少一个负极之间产生的电流产生约0.001V至约10V的电池电压。
14.权利要求1所述的电池，其中所述聚合物在所述凝胶电解质组合物中存在的浓度为约0.01重量百分数至约99重量百分数。
15.权利要求1所述的电池，其中所述聚合物被配置为与Li、Na、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Ni、Rb或其任何组合的金属离子配位。
16.权利要求1所述的电池，其中所述电池是Li-离子电池、Na-离子电池、K-离子电池、Ni-Li电池、Ni-MH电池、Rb-离子电池或Ca-离子电池。
17.一种凝胶电解质组合物，其包括：
聚合物，所述聚合物包括多个异氰酸酯基团；和
封端剂，所述封端剂与所述多个异氰酸酯基团中的至少一个接触。
18.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，其中所述聚合物包括下述的一种或多种单体单元：甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、甲基丙烯酸硫代烷基酯、乙烯基苯、2-羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-乙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-甲基酯、(2,2-(1,5-亚戊基)-1,3-噁唑烷基-3)乙基甲基丙烯酸酯、2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)-氧]乙基3-氧代丁酸酯、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇锂、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钠、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钾、甲基丙烯酸糠基酯、(聚乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、2-乙氧基乙基甲基丙烯酸酯、(聚左旋丙交酯)2-羟乙基甲基丙烯酸酯、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯、2-甲基-丙烯酸[1,4]二噁烷-2-基酯和任何前述单体单元的共聚物。
19.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，其中所述封端剂是醇、咪唑、甲基咪唑、吡唑、吡咯、吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、烷基丙二酸酯、乙酰乙酸酯、氰基乙酸酯、肟、己内酰胺或其任何组合。
20.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，进一步包括选自下述的溶剂：甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇、水、二噁烷、苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯和其任意组合。
21.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，进一步包括选自下述的锂盐：Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。
22.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，其中所述聚合物在所述凝胶电解质组合物中存在的浓度为约0.01重量百分数至约99重量百分数。
23.权利要求17所述的凝胶电解质组合物，其中所述聚合物被配置为与Li、Na、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Ni、Rb或其任何组合的金属离子配位。
24.一种制备凝胶电解质组合物的方法，所述方法包括：
使包括多个封端的异氰酸酯基团的单体与溶剂、交联剂和引发剂接触，以形成混合物；和
将所述混合物加热，以形成凝胶电解质组合物。
25.权利要求24所述的方法，其中所述单体是2-甲基-丙烯酸2-[(3,4-二甲基-吡唑-1-羰基)-氨基]-乙基酯。
26.权利要求24所述的方法，进一步包括通过使包括至少一个异氰酸酯基团的未封端的单体与封端剂接触形成具有多个封端异氰酸酯基团的单体，其中所述封端剂与至少一个异氰酸酯基团接触。
27.权利要求26所述的方法，其中所述未封端的单体是甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、甲基丙烯酸硫代烷基酯、乙烯基苯、2-羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-乙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-甲基酯、(2,2-(1,5-亚戊基)-1,3-噁唑烷基-3)乙基甲基丙烯酸酯、2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)-氧]乙基3-氧代丁酸酯、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇锂、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钠、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钾、甲基丙烯酸糠基酯、(聚乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、2-乙氧基乙基甲基丙烯酸酯、(聚左旋丙交酯)2-羟乙基甲基丙烯酸酯、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯、2-甲基-丙烯酸[1,4]二噁烷-2-基酯和任何前述单体的共聚物。
28.权利要求26所述的方法，其中所述未封端的聚合物是甲基丙烯酸异氰基乙酯聚合物。
29.权利要求26所述的方法，其中所述封端剂是醇、咪唑、甲基咪唑、吡唑、吡咯、吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、烷基丙二酸酯、乙酰乙酸酯、氰基乙酸酯、肟、己内酰胺或其任何组合。
30.权利要求26所述的方法，其中所述封端剂是3,4-二甲基-1H-吡唑。
31.权利要求24所述的方法，其中所述溶剂是甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇、水、二噁烷、苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯或其任何组合。
32.权利要求24所述的方法，其中所述溶剂进一步包括选自下述的锂盐：Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。
33.权利要求24所述的方法，其中所述交联剂包括亚甲基(双)丙烯酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸甘油酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、二氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、四甘醇二甲基丙烯酸酯、聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇二甲基丙烯酸酯、双酚A乙氧基化物二甲基丙烯酸酯、双(2-甲基丙烯酰基)乙氧基二硫化物或其任何组合。
34.权利要求24所述的方法，其中所述引发剂包括过硫酸盐、过氧化物、硫代硫酸盐或其任何组合。
35.权利要求24所述的方法，其中加热所述混合物包括在约50℃至约90℃的温度加热。
36.权利要求24所述的方法，其中加热所述混合物包括加热所述混合物约30分钟至约2小时。
37.一种使用可再充电的电池为电子设备供电的方法，所述方法包括：
将作为电源的所述可再充电的电池连接至电子设备，所述可再充电的电池包括：
凝胶电解质组合物，其包括：
聚合物，所述聚合物包括多个异氰酸酯基团；和
封端剂，所述封端剂与所述多个异氰酸酯基团中的至少一个接触；和
与所述凝胶电解质组合物接触的至少一个负极和至少一个正极。
38.权利要求37所述的方法，其中所述聚合物包括下述的一种或多种单体单元：甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烯丙基酯、甲基丙烯酸硫代烷基酯、乙烯基苯、2-羟乙基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸烷基酯、丙烯酸烯丙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-乙基酯、2-甲基-丙烯酸2-(2-氧代-咪唑烷-1-基)-甲基酯、(2,2-(1,5-亚戊基)-1,3-噁唑烷基-3)乙基甲基丙烯酸酯、2-[(2-甲基-1-氧代-2-丙烯基)-氧]乙基3-氧代丁酸酯、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇锂、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钠、1-[2-(2-甲基-丙烯酰氧基)-乙氧羰基]-丙烯-2-醇钾、甲基丙烯酸糠基酯、(聚乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢糠基酯、2-乙氧基乙基甲基丙烯酸酯、(聚左旋丙交酯)2羟乙基甲基丙烯酸酯封端的、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基甲基丙烯酸酯、2-甲基-丙烯酸[1,4]二噁烷-2-基酯和任何前述单体单元的共聚物。
39.权利要求37所述的方法，其中所述封端剂是醇、咪唑、甲基咪唑、吡唑、吡咯、吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、烷基丙二酸酯、乙酰乙酸酯、氰基乙酸酯、肟、己内酰胺或其任何组合。
40.权利要求37所述的方法，其中所述至少一个正极包括锂化合物、钠化合物、钾化合物、镁化合物、钙化合物、镍化合物、铁化合物、铜化合物或其任何组合。
41.权利要求37所述的方法，其中所述至少一个正极包括选自下述的锂化合物：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2、Li4Ti5O12、Li2(FePO4F)2和其任意组合。
42.权利要求37所述的方法，其中所述至少一个负极包括碳化合物、钛酸盐、硅化合物、锗化合物或其任何组合。
43.权利要求37所述的方法，其中所述凝胶电解质组合物进一步包括选自下述的溶剂：甘油、山梨醇、丙二醇、乙二醇、水、二噁烷、苄腈、烯丙基甲砜、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、氟乙烯碳酸酯、3-(甲基磺酰基)-1-丙炔、碳酸亚乙烯酯和其任意组合。
44.权利要求37所述的方法，其中所述凝胶电解质组合物进一步包括选自下述的锂盐：Li2B4O7、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、LiAlO2、LiBO2、LiAlSi2O6、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3和其任意组合。
45.权利要求37所述的方法，其中在所述至少一个正极和所述至少一个负极之间产生的电流产生约0.001V至约10V的电池电压。
46.权利要求37所述的方法，其中所述聚合物被配置为与Li、Na、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Ni、Rb或其任何组合的金属离子配位。
47.权利要求37所述的方法，其中所述可再充电的电池是Li-离子电池、Na-离子电池、K-离子电池、Ni-Li电池、Ni-MH电池、Rb-离子电池或Ca-离子电池。
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